Administrace komentářů

Děkuji všem za komentáře a zejména za odkazy na zajímavé články. Nicméně právě teď jsem udělal praktický pokus s ošklivými spinlocky. Výsledek mě vyděsil. Posuďte sami. Většina toho, co tu zatím bylo řečeno, zcela zjevně není pravda.

Tady je zdrojový kód:

#include <unistd.h>
#include <limits.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>

static const struct timespec snooze = { 5, 0 };

static int useless;
static int flag = 1;
static volatile int FLAG = 1;

static void foo( void ) {}
static void FOO( int * something ) { useless = *something; }

static void * t1( void * param ) { while ( flag ); puts( "T1 finished." ); return NULL; }
static void * t2( void * param ) { while ( flag ) foo(); puts( "T2 finished." ); return NULL; }
static void * t3( void * param ) { while ( flag ) FOO( &flag ); puts( "T3 finished." ); return NULL; }
static void * t4( void * param ) { while ( FLAG ); puts( "T4 finished." ); return NULL; }
static void * t5( void * param ) { while ( FLAG ) foo(); puts( "T5 finished." ); return NULL; }

void * ( * const func[ 5 ] )( void * ) = { t1, t2, t3, t4, t5 };

int main( void ) {
        int i;
        pthread_attr_t attr;
        pthread_t threads[ 5 ];

        pthread_attr_init( &attr );
        pthread_attr_setstacksize( &attr, PTHREAD_STACK_MIN );

        puts( "Spawning threads." );
        for ( i = 0; i < 5; ++i ) pthread_create( &threads[ i ], &attr, func[ i ], NULL );
        nanosleep( &snooze, NULL );

        puts( "Setting the death flag." );
        FLAG = flag = 0;
        nanosleep( &snooze, NULL );

        puts( "That's the end." );
        return 0;
}

Ano, je to moc ošklivý kód. Ano, nevolám nikde pthread_join(). (To jsou reakce na předpokládané FAQ.) A tady jsou výsledky, ze kterých mrazí v zádech.

[andrej@argos pokusy]$ gcc -O0 -pthread spin.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
Setting the death flag.
T4 finished.
T2 finished.
T1 finished.
T5 finished.
T3 finished.
That's the end.

Tak tady je vše podle předpokladů. Při -O0 se proměnná čte vždy znovu z paměti.

[andrej@argos pokusy]$ gcc -O1 -pthread spin.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
Setting the death flag.
T5 finished.
T4 finished.
That's the end.

Tady se čtou pouze volatile proměnné. Druhé a třetí vlákno proměnnou flag nepřečtou znovu, přestože se pointer na ni předává ven a přestože se v cyklu volá funkce! Při -O2 a -O3 se to chová stejně. Co když teď zdrojový kód trochu pozněníme...?

--- spin.c      2009-06-18 23:46:52.000000000 +0200
+++ spin2.c     2009-06-18 23:51:55.000000000 +0200
@@ -11,7 +11,7 @@
 static volatile int FLAG = 1;

 static void foo( void ) {}
-static void FOO( int * something ) { useless = *something; }
+static void FOO( int * something ) { ++( *something ); }

 static void * t1( void * param ) { while ( flag ); puts( "T1 finished." ); return NULL; }
 static void * t2( void * param ) { while ( flag ) foo(); puts( "T2 finished." ); return NULL; }

Teď jde opravdu do tuhého a nastává zmatek, jaký jsem ještě neviděl.

[andrej@argos pokusy]$ gcc -O0 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
Setting the death flag.
T4 finished.
T5 finished.
T2 finished.
T1 finished.
That's the end.

Naprosto špatně. Vlákno T3 by mělo skončit první, ale neskončí vůbec. Proměnnou v cyklu nečte i přesto, že je vypnutá optimalizace a že ji předává jiné funkci, která ji pozmění! Dobře, zkusme optimalizaci zapnout.

[andrej@argos pokusy]$ gcc -O1 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
T3 finished.
Setting the death flag.
T4 finished.
T5 finished.
That's the end.

Ano, takhle to má podle předpokladů (ne)fungovat... O stupeň vyšší optimalizace se chová stejně. Ale u -O3 číhá ošklivé překvapení:

[andrej@argos pokusy]$ gcc -O3 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
T3 finished.
T1 finished.
Setting the death flag.
T4 finished.
T5 finished.
That's the end.

Tohle už je opravdu těžko vysvětlitelné. Teď znovu vyzkouším první zdrojový kód, jen s jiným kompilátorem:

[andrej@argos pokusy]$ icc -O0 -pthread spin.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
Setting the death flag.
T4 finished.
T5 finished.
T3 finished.
T2 finished.
T1 finished.
That's the end.

Tady žádné překvapení nečíhá.

[andrej@argos pokusy]$ icc -O1 -pthread spin.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
T1 finished.
T2 finished.
T3 finished.
Setting the death flag.
T5 finished.
T4 finished.
That's the end.

Ale toto je prosím pěkně neuvěřitelné. Kompilátor přesunul přiřazení globální proměnné přes několik volání funkcí! Netvrdil tu někdo před chvílí, že to není možné? Jedině volatile proměnná byla přiřazena (a přečtena) ve správnou dobu. Vyšší stupně optimalizace se chovají stejně.

Nyní znovu vyzkouším pozměněný zdroják s kompilátorem Intel.

[andrej@argos pokusy]$ icc -O0 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
Setting the death flag.
T2 finished.
T1 finished.
T4 finished.
T5 finished.
T3 finished.
That's the end.

Toto je další odlišnost od GCC. Tentokrát skončila všechna vlákna. Nicméně vyšší úrovně optimalizace přinesou další překvapení:

[andrej@argos pokusy]$ icc -O1 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
T2 finished.
T1 finished.
Setting the death flag.
T5 finished.
T4 finished.
That's the end.

Další podivný výsledek. Jedno z vláken neskončilo a tento stav se nepodobá žádnému z předchozích.

[andrej@argos pokusy]$ icc -O2 -pthread spin2.c -o spin
[andrej@argos pokusy]$ ./spin
Spawning threads.
T1 finished.
T2 finished.
T3 finished.
Setting the death flag.
T4 finished.
T5 finished.
That's the end.

A zvýšení stupně optimalizace to zase dá do pořádku, přestože jde o jiný kompilátor a jiný stupeň optimalizace. Třetí stupeň se chová stejně.

Jaké je ponaučení z tohoto pokusu?

1. Kompilátor umí optimalizovat přístupy do paměti přes volání jakýchkoliv (i knihovních!) funkcí.

2. Přes volání statických funkcí optimalizuje kompilátor skoro vždy a nelze tomu zabránít.

3. Schopnost gcc zjistit, zda je volané funkci předáván pointer na danou proměnnou a zda ji tato volaná funkce může nebo nemůže změnit, zjevně závisí na zvolené úrovni optimalizace. (!!!) Výsledky z GCC po aplikaci patche to jasně ukazují. Tohle se vůbec netýká vláken a mohl by to být bug v kompilátoru.

A jeden fakt na závěr: Vlákna čtoucí volatile proměnnou neselhala ani jednou. Ostatní selhala téměř vždy, přestože podle většiny odpovědí v této diskusi by selhat neměla!

Jestliže kompilátor dokáže přesouvat přiřazení globální proměnné přes několik systémových volání, přes vytváření vláken a dokonce i přes nanosleep(), jak má potom člověk věřit, že je nebude přesouvat přes synchronizační primitiva?

Když může přiřazení do globální proměnné přeskočit nanosleep(), proč by nemohlo přeskočit pthread_cond_wait() nebo pthread_cond_signal()? Jak je možné, že vůbec nějaká synchronizace funguje? Možná mi budete spílat, ale pro mě je závěr z tohoto pokusu jednoznačný: volatile vždy a všude!

Tak teď jsem z toho jelen.